뇌 시냅스 절반이 사라져도 기억이 살아남는 비밀

뇌의 시냅스 연결 중 절반 이상이 갑자기 사라진다면, 기억도 함께 사라져야 할까요? 놀랍게도 그렇지 않습니다. 2026년 8월 13일, 국제학술지 Science에 발표된 충격적인 연구 결과에 따르면, 뇌의 시냅스가 대량으로 제거되어도 장기기억은 생존할 수 있습니다 .

沖縄科学技術大学院大学(OIST)와筑波大学, 自然科学研究機構 生命創成探究センター/生理学研究所 등 공동 연구팀은 쥐에게 인공동면 상태를 유도했습니다. 그 결과 해마 활동이 약 70% 급감하고 수상돌기 가시(시냅스)의 절반 이상이 사라졌습니다 . 하지만 깨어난 쥐들은 공포 조건화( fear conditioning)나 공간 탐색 작업에서 배운 과제를 정확히 기억했습니다. 해마의 공간 표현(spatial representation) 역시 높은 충실도로 회복되었습니다 .

이는 단순한 우연이 아니었습니다. 기억이 작동하는 방식에 대한 핵심 가정을 뒤집는 혁명적인 발견이었습니다.

기존의 관점: 강한 시냅스가 열쇠다

수십 년 동안 장기기억 저장의 지배적 이론은 장기강화(long-term potentiation, LTP) 개념에 기반해 있었습니다. 학습이 개별 시냅스를 강화하고 수상돌기 가시를 확장시킨다는 것이었죠. 이렇게 커지고 튼튼해진 시냅스가 기억의 물리적 기반, 즉 기억이 오래갈수록 연결이 더 견고해진다고 여겨졌습니다 .

그러나 자연 동면 중에는 이런 큰 가시들 중 상당수가 제거됩니다. 기존 이론대로라면 동면에서 깬 쥐들은 심각한 기억상실증에 걸려야 합니다. 하지만 실제로는 그렇지 않았습니다.

OIST 기억 연구 유닛을 이끄는 田中和正(카즈마사 타나카) 준교수는 "이전에는 기억 회상에 시냅스 강화가 중요하며, 크고 강한 수상돌기 가시가 장기기억 유지에 필수적이라고 생각했습니다"라고 말합니다 . "하지만 이번 연구는 모든 시냅스가 똑같이 중요한 것이 아니라, 기억 흔적(engram) 시냅스의 배열 패턴이 가장 중요하다는 것을 밝혀냈습니다."

실제로 기억을 보호하는 것: 시냅스 클러스터 구조

그렇다면 대량 제거에서 살아남은 것은 무엇일까요? 핵심은 기억 흔적 내 시냅스의 *위상적 조직(topoogical organization)*이었습니다.

특정 연결된 시냅스 클러스터—'더 넓은 네트워크 구조'—는 광범위한 제거 과정에서도 보호되었습니다. 이렇게 보존된 구조적 구성이 '핵심 기억 흔적(core memory trace)' 역할을 하여, 깨어난 후 뇌가 기능적 회로를 재건할 수 있도록 했습니다 .

타나카 준교수는 "더 넓은 네트워크의 이러한 위상적 구조가 개별적이고 견고한 연결보다 더 중요한 것으로 보입니다"라고 설명했습니다 .

마치 도시에 비유할 수 있습니다. 개별 강한 시냅스가 초고층 빌딩이라면, 기억 흔적 구조는 도로망입니다. 개별 건물은 허물 수 있지만, 기본적인 도시 배치가 남아 있다면 도시는 재건될 수 있습니다. '초고층 빌딩'을 잃었지만 '도로망'을 유지한 쥐들은 아무것도 잊지 않고 기능적인 삶으로 돌아왔습니다.

실험: 기억의 창으로서의 인공동면

Yu-Ju Lin(린위주) 박사가 이끄는 연구팀은 쥐 인공동면 모델을 사용했습니다. 시상하부 Q 뉴런을 활성화하여 장시간의 저체온증과 대사 억제를 유도했고, 이는 자연 동면 상태를 모방했습니다 .

뇌 구조 이미징을 통해 동면 유사 상태에서 시냅스 수준에서 일어나는 변화를 추적한 결과:

• 해마 활동이 약 70% 감소했습니다 .
• 수상돌기 가시(시냅스)의 절반 이상이 제거되었습니다 .
• 제거는 가시 크기와 무관했습니다. 크고 '강한' 가시도 작은 가시만큼 자주 제거되었습니다 .
• 하나의 시냅스전 말단이 여러 시냅스후 부위에 연결되는 '다중 시냅스 단자(multi-synaptic bouton)'와 관련된 가시 하위 집합이 우선적으로 유지되었습니다 .

이렇게 보존된 다중 시냅스 연결이 기억을 함께 유지하는 클러스터 구조를 형성했습니다.

기억 이해에 대한 의미

OIST 연구는 시냅스 안정성과 기억 안정성이 동일하지 않다는 기존 연구 흐름에 합류합니다. 2014년 Aplysia(군소) 연구는 시냅스 발현이 지워진 후에도 장기기억이 생존할 수 있음을 보여주었습니다 . 2020년 Science 논문은 미세아교세포(microglia)가 정상적인 망각 과정에서 시냅스를 제거한다는 사실을 밝혔습니다 . 그리고 2025년 Science 연구는 장기기억 습득이 연결된 뉴런의 동시 활성화 없이 다중 시냅스 단자와 연관되어 있음을 발견하여, 헤비안 모델(Hebbian model)에 도전했습니다 .

이러한 발견들은 함께 기억에 대한 더 복잡하고 네트워크 수준의 관점을 제시합니다. 기억은 개별 시냅스에 저장되는 것이 아니라, 시냅스 클러스터 전반의 연결 패턴—광범위한 재구성에서도 생존할 수 있는 구조—에 저장될 수 있습니다.

알츠하이머, 뇌 손상 등에 대한 시사점

기억 유지의 핵심이 개별 시냅스 강도가 아닌 시냅스 구조라면, 이는 기억 상실 치료에 중요한 의미를 갖습니다.

알츠하이머병, 뇌졸중, 외상성 뇌손상은 모두 광범위한 시냅스 손실을 동반합니다. 개별 시냅스를 강화하는 대신 이러한 상위 수준의 클러스터 패턴을 보존하거나 복원하는 치료법이 기억 기능 유지에 더 효과적일 수 있습니다.

흥미롭게도, 다른 연구 그룹의 이전 연구는 쥐의 단일 혼수-각성(torpor-arousal) 시퀀스가 해마 장기강화를 증가시키고 알츠하이머병 모델 쥐의 기억 성능을 회복시킬 수 있음을 발견했습니다 . 이는 동면 유사 상태 자체가 기억 장애에 치료 효과를 가질 수 있음을 시사합니다 .

핵심 요점

뇌는 우리가 상상했던 것보다 훨씬 회복력이 뛰어납니다. 장기기억은 무적의 개별 시냅스 집합에 의존하지 않고, 연결의 회복력 있는 패턴—대부분의 연결이 손실된 후에도 재구성을 안내할 수 있는 구조적 청사진—에 의존합니다.

또는 타나카 준교수의 말처럼: "더 넓은 네트워크의 위상적 구조가 진정으로 중요한 것입니다" .